TSZ型塔式绳索取心钻具在复杂地层中的应用

蔡正水，韩菲

(1.安徽省地质矿产勘查局313地质队　探矿工程技术研究所，安徽　六安　237010;2.中国地质装备集团有限公司，北京　100102)

TSZ型塔式绳索取心钻具在复杂地层中的应用

蔡正水1，韩菲2

(1.安徽省地质矿产勘查局313地质队探矿工程技术研究所，安徽六安237010;2.中国地质装备集团有限公司，北京100102)

摘要：本文通过TSZ型塔式绳索取心钻具在南岭NLSD-1孔中的应用实例，介绍了该钻具的结构特点，总结了其在取心钻进以及在扩孔施工中的优点，验证了该钻具作为一种新型钻具在复杂地层施工中的重要作用。

关键词:绳索取心；钻具；防斜；复杂地层

0引言

随着人造金刚石合成工艺技术的不断提高，金刚石钻头加工及烧结工艺的不断改进，人造金刚石及其制品的应用领域越来越广泛。特别是在地质找矿钻探施工中，金刚石钻头不仅适用于取心钻进、全面钻进，亦适用于扩孔钻进。本文以在南岭NLSD-1孔中的应用为例，介绍一种新型绳索取心钻具，该钻具可以用于绳索取心钻进亦可用作金刚石扩孔钻具扩孔。具有结构简单、安全可靠等优点，在预防钻孔偏斜、复杂地层取心钻进、提高岩心采取率及钻头寿命等方面具有其他钻具有不可替代的优越性。

1TSZ绳索取心钻具在南岭NLSD-1孔中的应用

1.1应用概况

华南于都-赣县矿集区NLSD-1孔，是由安徽省地矿局313地质队探矿工程技术研究所承担的重点科学钻探项目。该孔设计孔深3000m，终孔口径≥76mm；钻孔弯曲度及顶角<2°/100m，终孔顶角≤30°；全孔平均岩心采取率≥85%。该孔地层主要由变质凝灰岩、煤系地层，以及凝灰岩和砂岩互层组成，部分孔段砂岩、煤系地层交替出现，地层倾角较陡，软硬互层，岩层破碎，胶结性差，易造成钻孔坍塌掉块(见图1)。尤其在深部地层，促斜严重，取心困难，施工安全性差，施工效率低，以致无法继续施工。为保证施工安全，提高施工质量，缩短施工周期，降低施工成本，经我单位探矿工程技术研究所技术人员努力，研究设计了TSZ型塔式绳索取心钻具，在该孔中总进尺1360.93m，从而保质保量地完成了该科钻孔的施工任务。

图1　南岭 NLSD-1孔地层的岩心

1.2设计背景

(1)由于钻孔自然弯曲比较严重，除了较频繁的纠斜外，为保证岩心采取率，部分孔段采取先取心钻进，然后进行水泥封孔、侧钻纠斜的方法。至1764.36m孔深时，已累计纠斜96次，封孔侧钻3次，累计纠斜用时(包括侧钻)近一年时间。随着孔深增加，单次纠斜耗时增加(平均一次纠偏耗时3～4天)，且螺杆钻性能及纠偏效果随着孔深的增加而降低，纠斜成功率大幅下降(96次纠偏真正有效的只有42次)。若继续采用受控定向钻探的方法来控制钻孔轨迹，施工效率将会非常低，急需研究可行的钻孔防斜方案及机具。

(2)由于1599.80m以下孔段地层破碎，孔壁稳定性极差，必须使用高黏度泥浆进行护壁，泥浆最大黏度超过60s，如果不增加钻孔环空间隙，就无法进行绳索取心钻进，若采取常规钻进，施工效率又极其低下，需改进钻进方法。

(3)若增大钻头外径，虽然环空间隙增大了，泥浆压降可以显著降低，但因此造成钻具工作时的不稳定性，影响取心质量，降低钻头寿命。另外，由于钻孔底部钻杆受压，钻杆弯曲严重，容易造成断钻杆事故，而深孔处理一次正常断钻杆事故至少需要两天时间，增加了卡、埋钻的风险。

为了解决施工中遇到的以上难题，安徽省地质矿产勘查局313地质队探矿工程技术研究所，在南岭NLSD-1钻孔施工过程中，根据该孔地层特点和施工工艺等，结合以往经验，设计了TSZ型塔式绳索取心钻具(如图2所示)。

1、2、3、4.∅97.5mm扩孔器；5.内外管连接转换接头；6.∅97mm钻头；7.∅77mm钻头；8.∅77.5mm扩孔器；9.∅73mm岩心管；10.∅89mm岩心管；11.∅71mm钻杆图2　TSZ型塔式绳索取心钻具结构

1.3特点

TSZ型塔式绳索取心钻具除了具有传统钻具的优点外，还具有以下特点：

1.3.1防斜效果好

由于TSZ型钻具外管总长9.17m，具有刚、满、直的特点，内钻具超前具有导正作用，稳定性好，使用过程中防斜效果非常明显。1579.44～1764.36m孔段为保证岩心采取率进行了封孔侧钻，封孔前采用∅77mm绳索取心钻进，侧钻后使用TSZ型绳索取心钻具钻进，前后顶角、方位角对比见表1。

如表1所示，使用TSZ型钻具钻进后，1610～1815m钻孔顶角变化值维持在0.5°/100m，而封孔前1610～1760m孔段钻孔顶角从11.4°增至19.2°，从而表明使用TSZ型钻具钻进具有良好的防斜效果。

表1　封孔前后孔斜对比

1.3.2孔壁稳定性高

使用TSZ型钻具钻进时，钻孔口径97mm，而钻杆外径只有71mm，这样的环空间隙使得泥浆循环阻力非常小，泥浆泵泵压很低。当孔深2000m，泥浆黏度60s左右时，泵压不超过2MPa。同时，由于泥浆黏度大，环空压力小，冲洗液上返为层流状态，对地层的冲刷破坏小，从而很好的保证了孔壁的稳定性，解决了极破碎地层钻进困难，不能进行绳索取心钻进的难题。

1.3.3岩心采取率及取心质量高

由于钻具工作时稳定，泵压低，破碎岩心不易冲蚀、扰动，大大提高了岩心取心率及取心质量；并且钻进时岩心不易堵塞，增加了回次进尺长度。

1.3.4钻探效率高

虽然该孔下部钻孔由77mm口径换成了77mm/97mm组合口径，增加了碎岩功率消耗，钻头时效略有下降。但由于钻头非正常损坏小，提高了钻头寿命，单个钻头最高寿命261.82m，平均钻头寿命122.75m。相比于之前平均钻头寿命65.18m，提钻换钻头间隔加大，深钻效率可观。

1.3.5预防钻杆内结垢

使用了∅77mm/∅97mm的钻具组合，既保证了取心质量、测井安全，由于钻具的稳定性增加，在较低的转速、钻压下仍然可以获得很高的碎岩效率。因此，在较低转速，小一级钻杆钻进的情况下，虽然在南岭NLSD-1孔使用了高黏度泥浆，全孔钻进没有发生钻杆内壁结垢问题。

1.3.6结构简单，加工方便

由于钻具结构简单，在某些大口径取心钻孔中亦可以配合钻铤使用，以增加防斜及钻进效率，便于推广。

1.4适用条件

该钻具结构简单，适用于不同深度和结构的复杂钻孔，特别适宜在易坍塌、掉块、缩径等复杂地层中使用；钻头使用合金、复合片、金刚石均可，亦可配合液动冲击钻具使用；为了适应不同钻孔直径，该钻具内外钻具直径可以自由调配。

1.5使用注意事项

1.5.1扩孔器的选择及使用

为了增加钻具的稳定性、刚性和同心度，最大限度地发挥钻具的防斜作用，本钻具的外钻具同时用了4个金刚石扩孔器。对扩孔器的要求:①必须使用带螺旋水槽的扩孔器，以利增加排粉效果，保持孔底干净；②必须使用C级扩孔器，以延长其寿命，保护好钻具和钻头；③适当增加扩孔器环带长度，可以增加其稳定性和耐磨性；④每次钻具入孔前，仔细测量内外管的扩孔器直径(扩孔器外径大于钻头外径0.3～0.5mm)，重点检查靠近钻头上部的扩孔器，观察扩孔器有无偏磨、崩落、台阶等异常损坏，不符合要求者必须更换，以免扩孔器起不到扶正、扩孔作用，造成钻头异常损坏，从而保证钻孔孔径不变小，降低新钻具入孔时扫孔风险。另外，为了增加钻具的稳定性，可以在钻具上部的钻杆上适当增加一定数量的扩孔器(扶正器)。

1.5.2钻头的选择及使用

(1)外钻头

外钻头比内钻头线速度大，较内钻头易于磨损，外保径必须要可靠，硬度要求比内钻头硬度略大HRC 0～5，其他参数类同；为了减少对内钻具外管的磨损，外钻头要求无内刃，并且要求内径部分加工一个高度0.3～0.5mm的无金刚石的内台阶；外钻头胎体内径必须大于内钻具外管直径0.1～0.15mm；内、外钻头最好同时更换，以保证碎岩的协调性。

(2)内钻头

根据地层情况选择内钻头的结构、参数，综合稳斜、时效、取心效果等因素，最好选择同心圆尖齿状金刚石绳索取心钻头。为了达到稳斜效果，适当加长内钻具外管长度，使内钻头超前外钻头0.3～0.5m，软岩取大值，硬岩取小值，一般可取0.4m左右。

图3为本钻孔中使用的几种特殊唇面的金刚石钻头。

图3　特殊唇面金刚石钻头

1.5.3转换接头

钻具中间的转换接头内接头延长部分，加工成整体式。如果用于扩孔，宜采用双头螺纹倒钩扣型或普通老地标等小螺距扣型，螺纹部分必须涂抹厌氧胶，不会倒扣，不易折断；外管接头采用老地标扣型即可，在南岭NLSD-1孔中两套钻具总进尺1300多米，没有发生钻具折断或者脱扣情况。为保护接头，需经常检查更换紧挨接头上下的金刚石扩孔器。

2TSZ塔式绳索取心钻具在钻孔扩孔中的应用

TSZ塔式绳索钻具作为扩孔钻具使用时，即为单动双管钻具，其分类和使用情况如下。

2.1金刚石扩孔钻具的分类

按导向位置分上导向、下导向扩孔钻具；按导向与钻头的相对运动情况分活导向(导向为螺纹连接或焊接)、死导向(固定一体式)扩孔钻具；按扩孔钻具结构分单动双管扩孔钻具、双动双管扩孔钻具，实践证明单动双管扩孔钻具效果最佳。

2.2单动双管扩孔钻具的应用

2007年，我队曾为上海市地震局在上海浦电路钻进了一口600m的地震孔。该孔设计顶角、终孔不大于3°，终孔口径150mm，全孔取心。由于该孔地层为硅化凝灰岩为主，岩石硬，直接150mm口径取心钻进效率低且采心困难，为此，采取130mm口径金刚石单动双管取心，150mm口径扩孔的施工工艺。开始扩孔时，使用的一体式导向短钻具，平均钻头寿命不足20m，时效不足1m/h；改用金刚石单动双管扩孔钻具(内钻具超前部分安装原取心钻头)之后，钻头平均寿命80m，时效不低于2.0m/h。充分体现了金刚石单动双管扩孔钻具在扩孔中，特别是在小级差钻孔中较高的安全性及施工效率。

2014年金刚石单动双管钻具，在临安市页岩气勘查参数井LC02井的扩孔中也得到了很好的应用。2015年在合肥某地热井以及甘肃某金矿勘探施工中均发挥了重要作用。

3结语

TSZ塔式绳索取心钻具，特别是改进后的该型钻具，因其结构简单、实用可靠，适应性好。无论是在复杂地层中的绳索取心钻进，还是在硬岩地层中的扩孔钻进，均有其不可取代的优势作用，虽然取心直径小了一级，但从根本上解决了复杂地层钻孔无法施工，特别是无法进行绳索取心钻进的难题。一个钻孔的施工，能否安全的施工下去是关键，是首要问题，其次才是提高效益的问题。相信通过实践中不断改进，该钻具一定能够进一步保证施工安全，提高钻进效率。

参考文献：

[1]朱恒银,王强,杨凯华,等.深部岩心钻探技术与管理[M].北京:地质出版社,2014.

[2]刘广志.金刚石钻探手册[M].北京:地质出版社，1991:616-621.

[3]鄢泰宁.岩土钻掘工程学[M].武汉:中国地质大学出版社,2001.

[4]王达.中国大陆科学钻探工程钻探技术论文选集[M].北京:地质出版社,2007.

收稿日期：2016-01-10

作者简介：蔡正水(1974-)，男，安徽省地质矿产勘查局313地质队探矿工程技术研究所，副所长，探矿工程师，探矿工程专业，安徽省六安市金安区佛子岭路8号，Tel:0564-3312073，E-mail：582362342@qq.com。

中图分类号:P634.53

文献标识码：A

文章编号：1009-282X(2016)03-0026-04